Des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers en Suède affirment avoir fait des progrès dans le stockage d’énergie « sans masse » avec une batterie structurelle qui pourrait réduire de moitié le poids d’un ordinateur portable, rendre un téléphone portable aussi fin qu’une carte de crédit ou augmenter l’autonomie d’un ordinateur portable. . voiture électrique jusqu’à 70% sur une seule charge.
« Nous avons réussi à créer une batterie composite en fibre de carbone aussi rigide que l’aluminium et suffisamment dense en énergie pour un usage commercial. Comme un squelette humain, la batterie remplit plusieurs fonctions en même temps », a déclaré Richa Chaudhary, chercheur à Chalmers et premier auteur d’un article scientifique récemment publié dans Advanced Materials.
La recherche sur les batteries structurelles est en cours depuis des années à Chalmers en collaboration avec le KTH Royal Institute of Technology de Stockholm. Le professeur Leif Asp et ses collègues ont publié leurs premiers résultats en 2018, montrant que des fibres de carbone rigides et résistantes pouvaient stocker chimiquement l’énergie électrique.
Depuis, le groupe de recherche a développé son concept pour améliorer à la fois la rigidité et la densité énergétique. En 2021, la batterie a atteint une densité énergétique de 24 wattheures par kilogramme (Wh/kg), soit environ 20 % d’une batterie lithium-ion comparable. Elle atteint désormais 30 Wh/kg. Bien qu’elles soient encore plus petites que les batteries actuelles, les conditions diffèrent, selon les chercheurs.
« Investir dans des véhicules légers et économes en énergie est une évidence si nous voulons économiser de l’énergie et penser aux générations futures. Nous avons effectué des calculs sur les voitures électriques qui montrent qu’elles pourraient rouler jusqu’à 70 % plus longtemps qu’elles ne le font actuellement si elles disposaient de batteries structurelles compétitives », a déclaré Leif Asp, responsable de la recherche et professeur au Département de science industrielle et des matériaux de Chalmers. .
Pour les véhicules, la conception doit être suffisamment solide pour répondre aux exigences de sécurité, ont indiqué les chercheurs. La cellule structurelle de la batterie de l’équipe de recherche a augmenté sa rigidité, ou module élastique, de 25 à 70 gigapascals (GPa), lui permettant de transporter des charges aussi efficacement que l’aluminium, mais avec moins de poids.
« En termes de propriétés multifonctionnelles, la nouvelle batterie est deux fois plus performante que son prédécesseur – et en fait la meilleure jamais produite dans le monde », a déclaré Leif Asp, qui étudie les batteries structurelles depuis 2007.
Selon les chercheurs, l’objectif était dès le départ d’obtenir des performances adaptées à la commercialisation. Tandis que la recherche se poursuit, les liens avec le marché ont été renforcés grâce à la société nouvellement créée de Chalmers Venture, Sinonus AB, basée à Borås, en Suède.
Cependant, les chercheurs ont déclaré qu’il reste encore beaucoup de travail d’ingénierie avant que les cellules de batterie puissent passer de la production en laboratoire à petite échelle à la production à grande échelle de gadgets ou de véhicules technologiques.
« On peut imaginer que les téléphones portables aussi fins qu’une carte de crédit ou un ordinateur portable, qui pèsent deux fois moins qu’aujourd’hui, sont les plus proches dans le temps. Il pourrait également être possible que des composants tels que l’électronique des voitures ou des avions soient alimentés par des batteries structurelles. Il faudra des investissements importants pour répondre aux besoins énergétiques exigeants du secteur des transports, mais c’est également là que la technologie pourrait faire la plus grande différence », a déclaré Asp.
Les batteries structurelles sont des matériaux qui stockent l’énergie et la charge de transport, permettant au matériau de la batterie de faire partie du matériau de construction d’un produit, ont indiqué les chercheurs. Cela peut réduire considérablement le poids des voitures électriques, des drones, des instruments portables, des ordinateurs portables et des téléphones portables.
Les progrès récents sont détaillés dans l’article « Dévoilement de la batterie structurelle multifonctionnelle en fibre de carbone » dans Advanced Materials par Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia et Leif Asp de l’Université de technologie Chalmers.
Les chercheurs ont déclaré que le concept de batterie développé utilise un matériau composite en fibre de carbone comme électrodes positives et négatives, et que l’électrode positive est recouverte de phosphate de fer et de lithium. Auparavant, le noyau de l’électrode positive était une feuille d’aluminium.
La fibre de carbone contenue dans le matériau de l’électrode est multifonctionnelle, ont indiqué les chercheurs. Dans l’anode, il sert d’armature, de collecteur électrique et de matière active. Dans la cathode, il agit comme un induit, un collecteur de courant et un échafaudage pour le lithium. Cela réduit le besoin de collecteurs de courant en cuivre ou en aluminium, réduisant ainsi encore le poids total. La conception évite également les métaux conflictuels tels que le cobalt ou le manganèse.
Dans la batterie, les ions lithium sont transportés entre les bornes via un électrolyte semi-solide au lieu d’un électrolyte liquide, ce qui pose des défis pour atteindre une puissance élevée et nécessite des recherches supplémentaires. Cette conception augmente également la sécurité de la cellule de batterie en réduisant le risque d’incendie.
La recherche est financée par le programme Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE).
